LNG冷能利用方式及发展前景

液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）是在温度约 -162°C、以液态形式存在的天然气。通常LNG需要重新气化为气态天然气才能获得利用。LNG气化时释放的冷能大约为840kJ/kg。一座300万吨/年的LNG接收站，如果LNG连续均匀气化，释放的冷能大约为80MW。因此，LNG蕴涵的冷能是十分巨大的，回收这部分能量具有可观的经济、社会和环境效益。

一、LNG 冷能利用方式

所谓冷能，实际上指的是在自然条件下，可以利用一定温差所得到的能量。根据工程热力学原理，利用这种温差就可以获得有用的能量，这种能量称之为冷能。

LNG冷能利用方式主要有冷能发电、冷能空分、制取液态CO₂或干冰、冷藏仓库或制冰、轻烃分离、空调、海水淡化、低温粉碎等。

（一）冷能发电

利用 LNG 冷能发电是较为新颖的能源利用方式，技术相对比较成熟，能够大规模利用 LNG 冷能。利用LNG冷能发电的系统主要有：直接膨胀法、二次冷媒法、联合法等。

1、直接膨胀法。将储罐内的LNG抽出并加压，然后以海水为热源使之受热气化，再送至膨胀机中做功，从而产生电能。从膨胀机出来的天然气再根据要求调整其温度和压力，最终送至天然气用户。直接膨胀法原理简单、投资少，但是LNG冷能利用率很低，只有24%左右。因此，该方法主要与其他冷 能利用方案综合使用。

2、二次冷媒法。二次冷媒法利用中间冷媒的朗肯循环回收LNG冷能进行发电。将低温LNG的冷量转移到冷媒上，冷媒在温差的作用下进行蒸汽动力循环，从而做功产生电能。应用二次冷媒法进行冷能发电的关键是冷媒的选择。常用的冷媒 主要有甲烷、乙烷、丙烷等单组分，也可以采用它们的混合物。这种方法对LNG冷能的利用效率要优于直接膨胀法。

3、联合法。联合法将直接膨胀法与二次冷媒法相结合，可以大大提高冷能利用率，一般可保持在50%左右。日本投入实际使用的LNG冷能发电项目大多采用这种方式。冷能发电是一种新兴无污染的发电方式，这种方法对LNG冷能的回收效率非常低，仅相当于制备LNG耗用的5%，但是具有流程短、占地面积少、投资小、易于实施、无污染等优点，所以在其他冷能利用方式难以实现的情况下，可优先考虑冷能发电。

（二）空气分离

目前，工业上所用的氧气和氮气绝大部分是通过分离冷却液化后的空气获得的，因此LNG可以为空气液化提供冷量，然后通过相应的工艺将液化空气分离生产液氧、液氮和液氩。

传统空气分离工艺中液化空气所需要的冷能是利用制冷机和组合膨胀机产生的，而LNG冷能空分装置可以直接利用LNG的冷能，不需要额外的制冷设备。因此，利用LNG的冷能进行空气分离相比传统工艺，不仅可以减少投资、简化工艺流程，还可以节省大量电能降低液氮、液氧和液氩的生产成本。

此类项目在日本成功运营近20年，比传统工艺耗电降低 50%以上，耗水降低 70%，节能效果显著，被认为是最有效的LNG冷能利用方式。

国内首个LNG冷能空分项目与福建莆田LNG接收站配套，于2010年10月投产，投资3.1亿。该冷能空分项目每天可以生产液氧300吨、液氮300吨、液氩10吨。很多其他的LNG接收站也已建成或在建与之配套的冷能空分项目。

（三）冷冻、冷藏库

LNG接收站一般都建在港口附近，建设与之配套的冷冻、冷藏库，可以方便海产品及其他鲜活食品的保鲜储存。将LNG冷能作为冷库的冷源，不仅可以简化制冷工艺，还可以大幅削减冷库的建设和运行费用，节省1/3以上的电力。杏坛LNG卫星站冷能用于冷库制冷的项目已建成投产，冷库主要的经营范围是水产品的加工及储存，库容总量为3000吨，含有-30°C冷冻库和-15°C储藏库，是中国小型液化天然气卫星站成功应用冷能的第一个实例。

（四）制取液态CO₂或干冰

液态 CO₂ 是CO₂气体经过提纯，然后加压压缩使之液化得到的。传统的制取液态CO₂ 的工艺是将CO₂ 压缩至2.5 ~ 3.0MPa，然后利用制冷设备将其冷却，最终使之液化。利用LNG冷能液化CO₂，则很容易从LNG中获得冷却和液化CO₂所要的低温，而且CO₂ 只需压缩到0.9MPa左右。与传统的液化工艺相比，量消耗也降低为原来的30% ~ 40%。用LNG冷能液化CO₂纯度较高，可达99.99%，并且投资费用可减少10%。

利用LNG的冷能制取液态CO₂或干冰通常是以化工厂的副产品CO₂为原料，这样就可以实现化工厂等高CO₂排放的企业实现变废为宝。

（五） 低温粉碎

利用LNG冷能进行低温粉碎是间接利用LNG冷能的一种方式，先将LNG冷能用于空气分离，然后应用空气分离生产的液氮进行低温粉碎，间接利用了LNG的冷能。一些常温下难以粉碎的物质如塑料、合成橡胶、金属等具有低温脆性，在低温下能把这些物质破碎成极小的可分离的微粒，且不存在微粒爆炸和气味污染。低温粉碎一般可用于工业废弃物、食品和医药类物质、合成橡胶、城市垃圾等。

二、LNG 冷能利用发展前景

（一） LNG 冷能梯级利用

任何单一的LNG冷能利用方案都无法充分利用LNG 的冷量，LNG冷能利用效率很低。此外，不同温度的冷能价值相差很大，不同冷能利用方式所需温度也不同。所以，LNG冷能利用不仅要注重冷能利用率，还要看冷能利用的品位和质量，应当把握“温度对口、梯级利用”的综合利用原则。只有这样，才能最大限度的利用 LNG冷能，实现经济效益的最大化。因此，LNG冷能用户应该是由多个冷能利用项目形成的产业群，冷能的梯级利用将会形成一个新的产业链。

LNG冷能的梯级利用，往往涉及跨度很大的多个领域和行业，各冷能利用项目之间互相影响和制约，所以应该将冷能利用项目纳入LNG接收站的总体规划，并与LNG接收站协同设计。华南理工大学华贲教授等提出可考虑将多种LNG冷能利用项目建成联合企业的冷能工业园区，并将其与LNG接收站一体化建设。他们还初步制订了唐山LNG冷能利用规划，形成以LNG冷能为依托，以空分、伴生气轻烃分离和冷媒循环系统为纽带，集成炼油厂、乙烯厂、钢铁厂以及其他重化工业、油田伴生气资源优化利用和CO₂沉积等产业统筹发展的格局。

（二） 蓄冷技术

LNG的气化过程与LNG冷能利用过程在空间和时间上的不同步问题是LNG冷能迄今没有实现大规模集成利用的主要原因。为此，一些专家研究利用一些相变物质作为蓄冷剂存储LNG冷能，实现LNG冷能在时间和空间跨度上的供应。原理如下：当LNG冷能充裕时，蓄冷剂吸收冷量而凝固；当LNG冷能供应不足时，蓄冷剂溶解，从而释放出冷量。

蓄冷剂的开发是蓄冷技术的关键。作为蓄冷剂的相变物质要求具有较高的相变潜热、合适的相变温度、较大的热导率和密度、无相分离现象以及廉价易得等特性。

三、结束语

LNG冷能利用具有很高的经济、社会和环境效益，随着LNG贸易的迅速增长以及全球性的能源紧张，LNG冷能利用具有十分广阔的发展前景。LNG冷能利用不仅可以节能减排，还可带动相关的科学研究和冷链产业的发展。因此，LNG 冷能利用是时代的要求、发展的需要，是利国利民的绿色工程。

来源：分布式能源

作者：巩志超  马凯